Co je to vakuum? A proč dokonalá prázdnota neexistuje?

Zní to přece logicky – když z nějaké krabice vysajete úplně všechno, co v ní zbyde? Nic. Jenže když jsem se začal hlouběji rýpat v kvantové fyzice, zjistil jsem jednu fascinující věc. Náš vesmír slovo „nic“ absolutně nesnáší. Dokonalá prázdnota je totiž ta největší iluze, jakou nám náš selský rozum předkládá. Pojďte se se mnou podívat do míst, kde fyzika připomíná magii, kde si prostor půjčuje energii z budoucnosti a kde obyčejné „nic“ možná skrývá tu největší sílu v celém kosmu.

Začněme u toho nejběžnějšího omylu. Často mluvíme o vesmíru jako o vakuu. Ale i když vyrazíte do toho nejhlubšího, nejtemnějšího mezigalaktického prostoru daleko od všech hvězd a planet, nikdy tam nebudete úplně sami. Vždycky tam poletuje alespoň pár osamělých atomů vodíku na každý metr krychlový. Z pohledu pozemského průmyslu je vesmír neuvěřitelně prázdný, ale z pohledu absolutní fyziky je to vlastně docela „hustá polévka“.

Když se my lidé snažíme vytvořit takzvané ultravakuum v těch nejlepších laboratořích nebo uvnitř urychlovačů částic, dokážeme odsát obrovské množství molekul. Ale ať se snažíme sebevíc, nějaké ty zbloudilé atomy se tam vždycky najdou. Už jen fyzicky vytvořit stoprocentní prostor bez jediné částice hmoty je pro nás zatím nemožný úkol. Ale co kdybychom to přece jen dokázali? Co by zbylo?

Než se vrhneme na kvantovou magii, musím se zastavit u jedné „záhady“, která občas nedá spát popíračům gravitace a plochozemcům. Jejich oblíbený argument zní zhruba takto: „Když je vesmír vakuum, jak to, že naši atmosféru prostě nevcucne? Kdybychom vedle vakua neměli pevnou skleněnou kopuli, vzduch by přece okamžitě uletěl pryč!“

Zní to jako logický chyták, že? Problém je v tom, že tito lidé si vakuum představují jako zapnutý domácí vysavač. Jenže vakuum nemá žádný motor. Vakuum nic necucá. Vakuum je prostě jen prostor, kde je nulový tlak. A tady vstupuje do hry skutečný hrdina našeho světa – gravitace.

Představte si naši atmosféru jako obrovskou hromadu nadýchaných polštářů naskládaných na sebe. Ty polštáře úplně dole (to jsme my na hladině moře) jsou obrovskou vahou všech polštářů nad nimi pořádně zmáčknuté. Je tam vysoký tlak. Gravitace totiž táhne všechny molekuly plynu směrem ke středu Země. Čím výš stoupáte, tím méně polštářů nad vámi je, a tlak přirozeně klesá. Na hranici vesmíru už tlak prostě plynule a nenápadně přejde v nulu. Není tam žádná vysávací síla, proti které by vzduch musel bojovat. Jen gravitace, která drží náš vzdušný oceán hezky u dna.

Důkaz místo slibů: Proč by vám ve vesmíru vařila krev?

To, že tlak s výškou klesá, není žádná nedokazatelná teorie. Můžete si to ověřit sami. Uvařit si čaj na hladině moře znamená ohřát vodu na 100 °C. Ale když vylezete na Mount Everest, kde je kvůli menšímu sloupci vzduchu nad vaší hlavou mnohem nižší atmosférický tlak, voda vám začne vřít už při 71°C!

A co by se stalo, kdybyste se bez skafandru ocitli rovnou ve vesmírném vakuu? Filmy nám často lžou, že byste vybuchli jako balónek. Ve skutečnosti by vás zabila takzvaná Armstrongova mez. Protože ve vakuu není vůbec žádný okolní tlak, bod varu tekutin drasticky klesne. Vaše krev a sliny by tak začaly vřít a bublat už při vaší běžné tělesné teplotě 37 °C. Je to děsivé, ale fyzikálně naprosto logické.

A teď si představte, že vezmeme prázdnou krabici, kouzlem z ní vysajeme úplně každý atom hmoty a zchladíme ji na absolutní nulu. Máme konečně to opravdové, prázdné a klidné nic? Kdepak. Pokud si pamatujete můj starší článek Podstata času a iluze klidu, už víte, že příroda dokonalý klid prostě nedovolí. Důvodem je Werner Heisenberg a jeho slavný princip neurčitosti. My ho známe hlavně z poučky, že nikdy nemůžeme znát přesnou polohu a rychlost částice současně. Ten samý přírodní zákon ale platí i pro dvojici energie a čas.

Fyzika nám říká, že prázdný prostor je ve skutečnosti neustále se vařící kvantová pěna. Jak je to možné, když z ničeho nelze vyrobit energii? Kvantová mechanika funguje jako taková vesmírná banka poskytující bleskové mikropůjčky. Zákon zachování energie se dá teoreticky „obejít“, pokud si energii vypůjčíte z budoucnosti jen na naprosto nepatrný zlomek vteřiny.

Z této vypůjčené energie v naprosto prázdném vakuu neustále vznikají páry takzvaných virtuálních částic (například elektron a jeho antičástice pozitron). Tyto částice na mrknutí oka vzniknou, ale pak do sebe musí okamžitě narazit, anihilovat a energii vesmíru zase „splatit“, aby účetní knihy na konci dne seděly. Z pohledu makrosvěta se vlastně vůbec nic nestalo, ale když se na to podíváme optikou kvantových rovnic, zjistíme, že toto prázdno nepřetržitě vře. Že tito virtuální pošťáci opravdu existují a umí vyvinout skutečný hmatatelný tlak, jsem mimochodem detailně vysvětloval v článku Kvantová elektrodynamika a virtuální fotony.

Možná si říkáte, jak si můžeme být jistí existencí nějakých „pošťáků“, když okamžitě zaniknou a nedají se vyfotit. Fyzikové na to mají naštěstí dva nezvratné důkazy, za které právem padaly Nobelovy ceny. Když něco nevidíme přímo, hledáme stopy, které to po sobě zanechalo.

1. Casimirův jev (1948): Vědci vzali dvě nepatrné kovové destičky a dali je ve vakuu neuvěřitelně blízko k sobě. Kdyby bylo vakuum dokonale prázdné, nic by se nestalo. Ono je ale plné virtuálních fotonů, které se chovají jako vlny. Mezi destičky se „vejdou“ jen ty nejmenší vlnky, zatímco zvenku do nich naráží virtuální fotony všech možných velikostí. Výsledek? Tlak zvenku je silnější a destičky jsou fyzicky tlačeny k sobě. Není to gravitace (hmotnost destiček je tak mikroskopická, že by s nimi jejich vlastní gravitace ani nehnula). Je to doslova hmatatelný tlak „prázdného“ vakua.

2. Lambův posuv (1947): Dříve se učilo, že elektron obíhá kolem jádra jako planeta. Jak ale dnes víme, elektron tvoří spíše „pravděpodobnostní oblak“ s určitou přesnou energií (energetickou hladinou). Když vědci tuto energii elektronu v atomu vodíku extrémně přesně měřili, zjistili, že je nepatrně odlišná od toho, co diktovaly klasické rovnice. Proč? Protože ten elektron se nenachází v klidném prázdnu. Celou dobu do něj strkají virtuální fotony, čímž jeho pozici nepatrně „rozklepou“ a změní tak jeho energii. Je to, jako byste pozorovali vznášejícího se iluzionistu, do kterého neustále naráží roj neviditelných much, a tím ho nutí spotřebovávat více energie na udržení rovnováhy.

Zde se ale dostáváme k jedné z největších nevyřešených záhad moderní vědy. Když se totiž fyziků zeptáte, kolik energie se v tom zdánlivě prázdném vakuu reálně ukrývá, dostanete dvě naprosto odlišné odpovědi. A perou se spolu opravdu drsně.

Když kvantoví fyzici vezmou do ruky tužku a sečtou energii všech těch neustále vznikajících a zanikajících mikropůjček virtuálních částic, vyjde jim číslo, které je doslova astronomické. I ty nejkonzervativnější kvantové rovnice tvrdí, že v obyčejné litrové zavařovačce plné vakua je tolik skryté energie, že by to s přehledem stačilo k odpaření všech oceánů na Zemi! Zní to jako dokonalý zdroj neomezené čisté energie.

Jenže pak přijdou kosmologové, podívají se svými teleskopy na to, jak se náš vesmír reálně chová, a jen kroutí hlavou. Z jejich obřích měření totiž vychází, že energie prázdného prostoru je ve skutečnosti neuvěřitelně malá a slaboučká.

Rozdíl mezi tím, co předpovídá kvantová mechanika, a tím, co reálně vidíme ve vesmíru, je ohromujících 10 na sto dvacátou (to je jednička a za ní 120 nul). Fyzikové tomuto číslu s úsměvem, ale i s jistou dávkou zoufalství říkají „nejhorší předpověď v dějinách fyziky“. Proč tam ta gigantická kvantová energie teoreticky je, ale my ji v našem velkém světě vůbec necítíme? Pravděpodobně se tyto obrovské síly navzájem nějak geniálně vyruší, nebo nám stále chybí ten poslední obrovský kousek skládačky, který by konečně spojil kvantový svět s gravitací.

I když se vědci hádají o tom, jak přesně je velká, jedno víme s jistotou: energie vakua existuje. A nedávno jsme zjistili, že právě tohle zdánlivé „nic“ pravděpodobně určuje osud celého našeho světa.

Dlouho jsme si mysleli, že vesmírný prostor je jen prázdné jeviště, na kterém hrají svou roli hvězdy a galaxie. Jenže prostor sám o sobě je mimořádně aktivní hráč. V roce 1998 vědci šokovali svět objevem, že se náš vesmír nejen rozpíná, ale že se rozpíná čím dál rychleji. Roli jakéhosi neviditelného motoru, který všechno odtlačuje od sebe (představte si to opět jako ono kynoucí těsto s rozinkami), hraje takzvaná Temná energie. A naprosto hlavním kandidátem na to, co ta Temná energie vlastně je, je právě energie samotného vakua.

Neplést si to prosím s Temnou hmotou, o které jsem psal v článku Temná hmota a James Webb. Zatímco Temná hmota funguje jako neviditelné lepidlo, které drží jednotlivé galaxie pohromadě, Temná energie prázdného vakua dělá pravý opak – neúprosně trhá vesmírný prostor od sebe.

Když si tyhle všechny informace spojím dohromady, nutí mě to dívat se na noční oblohu úplně jinak. My vůbec nežijeme v prázdném vesmíru plném občasných hvězd a planet. Ve skutečnosti plaveme v naprosto neklidném, vibrujícím a energií nabitém oceánu, ze kterého je veškerá hmatatelná hmota, kterou známe – včetně nás samotných – jen jakási drobná a v celkovém součtu nepodstatná vyvřelina na jeho hladině.

Příště, až se podíváte do prázdného pokoje nebo na bezmračnou oblohu a řeknete si, že tam „nic není“, vzpomeňte si na to. Díváte se na neviditelnou bouři mikropůjček z budoucnosti a na neviditelný motor, který právě teď roztlačuje náš vesmír do nekonečna. A to mi přijde jako docela slušný výkon na něco, co se tváří jako úplně obyčejná prázdnota.